AspenPlus物性方法的选择方案
AspenPlus模拟计算传统水溶液全循环法低压分解塔物性方法的选择
第 48 卷 第 4 期2019 年 4 月Vol.48 No.4Apr. 2019化工技术与开发Technology & Development of Chemical IndustryAspen Plus 模拟计算传统水溶液全循环法低压分解塔物性方法的选择黄 波（成都锐思环保技术股份有限公司，四川 成都 610091）摘 要：利用Aapen Plus软件，分别选用ELECNRTL、SR-POLAR和UNIQUAC这3种物性方法，用于水溶液全循环法低压分解塔的模拟计算。
最终的模拟计算结果表明，ELECNRTL得到的模拟结果中，液相浓度与文献数据较一致，而气相误差较大。
SR-POLAR得到的模拟结果中，气、液相的浓度误差均较大。
采用UNIQUAC，并利用已有的文献数据计算其交互作用参数，气、液相浓度与文献数据的误差均较小。
故UNIQUAC物性方法适用于水溶液全循环法低压分解塔的模拟计算，并可推广到其他低压下的NH 3-CO 2-H 2O-Urea四元体系相平衡研究和计算。
关键词：Aspen Plus；低压分解塔；模拟计算；物性方法中图分类号：TQ 441.41 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2019)04-0044-04作者简介：黄波（1986-），男，四川德阳人，工程师，主要从事化工及环保技术开发和设计工作。
E-mail：hbcetscu@收稿日期：2019-01-25化学工程目前，国际上的尿素生产工艺主要有水溶液全循环、CO 2汽提、氨汽提以及日本的 ACES 工艺。
水溶液全循环尿素装置在我国经过多年的经验积累和技术改造，已能达到稳定、高产、低能耗的长周期连续运行[1]。
目前，水溶液全循环法和CO 2汽提法是我国尿素生产中应用最为广泛的两种工艺。
指导尿素设计和生产过程的相平衡大多采用相关文献[2-3]的相图进行。
由于文献中的相图主要用于指导尿素生产，所以这类文献只有一定条件下的相图。
Aspen Plus 物性方法的选择
合成气体 煤气化 煤液化 蒸汽系统，冷却剂
PR-BM,RKS-BM
PR-BM,RKS-BM PR-BM,RKS-BM，
BWR-LS STEAMNBS,STEAM-TA
A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ11
行业
用途
方法
（10）矿物和冶金 Power generation
机械加工：压碎、碾碎 、筛分‘洗涤
湿法冶金：矿物沥取
熔炉、转炉
物性方法的选择
● 91中性质方法 ● 四种类型 ● 可按行业和用途选择
A
1
1. Aspen Plus 91 种性质方法
AMINES ENRTLSA MXBONNE
C
L
APISOUR EPNRTL NRTL
B-PITZER FACT
NRTL-2
BK10
BWR-LS
BWRS
CHAOSEA
COSMOSA C
空气分离
PR-BM,RKSBM,PENGROB,RK-SOAVE
用乙二醇进行气体 脱水
用甲醇或NMP进行 酸性气吸收
克劳斯过程
PRWS，RKSWS，
PRMHV2， RKSMHV2，PSRK
，SR-POLAR
用水、氨水、胺、 胺+甲醇、碱、石灰、 热碳酸盐吸收酸性
气体
ELECNRTL
A
7
行业
用途
方法
K值计算方法
理想气体/道尔顿定律/亨利定律 理想气体/道尔顿定律（发布版本8）
②状态方程模型——13 种
表（2-1） 基于Lee方程的物性方法
物性方法代码 BWR-LS LK-PLOCK
状态方程 BWR-Starling Lee-Kesler-Pl?ck
Aspen物性方法选用图
ij:是否是二元交互参数LL:是否是液液这张图ij？的意思是问有没有二元交互参数。
如果没有，物性方法选择活度系数模型中的基团贡献模型类UNIFAC.; a. r+ Z" k9 F i/ ~ "UNIFAC活度系数模型是UNIQUAC模型的一个扩展模型。
它把UNIQUAC用于分子的理论用于了官能团。
有限个数的官能团足可以组成无限个不同的分子。
与纯组分库中可能需要的组分（500至2000个组分）间交互作用参数的个数相比，可能需要的基团交互作用参数的个数很少。
由一个有限的、精选的实验数据集确定的基团间交互作用参数足以能够预测几乎任何组分对间的活度系数。
"所以，它能很好的预测VLE的活度系数。
但是如果要预测LL数据时，必须使用一个不同的数据集，这个时候你可以用aspen plus自带的UNIFAC-LL.如果有，物性方法选择分子模型类NRTL\WILSON\UNIQUAC.分子模型运行二元交互参数可以灵活准确的模拟许多低压（P＜10atm）非理想溶液。
但是这里面WILSON不能用于模拟液液（LL)混合物。
正如前面所说的，活度系数方法适用于低压非理想溶液，如果是高压（P>10atm）非理想溶液，应该选用灵活的、有预测性的状态方程，如图所示的sp-polar、特殊混合规则的(ws,hv)方程。
图示把这些状态方程归为活度系数法是错误的aspen模拟中状态方程物性方法的选择在Aspen模拟中物性方法的选择至关重要，物性方法选择正确与否直接关系到模拟结果的准确性。
现向全体海友征集各种物性方法的使用条件、范围及相关注意事项。
例如：性质方法名：WILSON，γ模型名：wilson，气体状态方程：理想气体定律! J* v3 ~+ V1 c$ X7 e/ R f1 mWilson 模型属于活度系数模型的一种。
适用于许多类型的非理想溶液，但不能模拟液-液分离。
可在正规溶液基础上用于模拟低压下的非理想系统。
在ASPEN PLUS中选用的物性方法
在ASPEN PLUS中选用的物性方法—Chao-Seader本设计中所选用的两种物质苯、甲苯都为烃类物质，且操作条件为Chao-Seader用来计算烃类混合物对重质烃类用此方法ASPEN PLUS中的塔设备单元操作模块1、DSTWU模块对单一进料两出料精馏塔进行简捷设计计算，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、给定回流比下的理论板和加料版位置。
已知平衡级数，可以得到回流比；已知回流比，可以得出理论级数。
同时也能得到最佳进料位置和再沸器及冷凝器热负荷。
运用DSTWU能够得到回流比与理论级数关系曲线与表格。
可以利用此单元操作得到严格计算初值。
2、RadFrac模块此模块为严格多级气液分离模型，尤其适用于三相、宽沸程和窄沸程以及液相强非理想系体系，用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。
可以同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算法求解给定塔设备的操作结果3、DISTL模块此模块对单一进料两出料精馏塔进行简捷校核计算。
给定平衡级数、回流比和塔顶产品速率及冷凝器类型（全凝或部分冷凝），可估算出再沸器和冷凝器热负荷。
4、EXTRACT模块此模块为液液萃取模拟计算的严格模型，只用来进行校核计算。
可处理多进料、带侧线以及有加热和冷却单元的各种萃取体系。
分配系数的求取可采取活度系数法、状态方程法或内置温度关联式二元精馏是最为简单的一种精馏操作，其设计和操作计算是多元精馏计算的基础。
二元精馏的设计可采用简捷法和逐板计算法，Aspen Plus则采用Winn-Underwood-Gilliland简捷法进行设计，对应“Colums”中“DSTWU”模块。
由于简捷法的计算误差较大，所以需要用严格精馏模型对设计结果进行验证，采用“Colums”中的“RadFrac”模块。
所以本设计的单元操作也选用RadFrac模块。
AspenPlusV8.4查混合物质的物性使用范例
AspenPlusV8.4查混合物质的物性使⽤范例Aspen Plus 查混合物质的物性使⽤范例1、Setup – Unit Sets –选择SI（国际单位制）或者“New”新建⼀个2、Setup –Specifications –Global –Global unit set选择某个单位–Global settings – Valid phases选择状态3、Comments – Specifications – Selection - Find添加物质4、上⾯点击Find之后会打开如下页⾯Find Compouds，Databanks –选中所有数据库到右边5、Find Compounds – Name or Alias –输⼊相关物质– Find Now –双击对应的物质完成添加6、Methods – Specifications – Global – Method name –选择合适的物性计算⽅法，可以在Plus的帮助F1⾥找到这⽅⾯的指导7、Property Sets – New – Enter ID输⼊参数包的名字– OK – Search8、上⾯点击Search之后会打开下⾯的Search Physical Properties，输⼊想要查找的物性名字，Search，双击完成添加；然后设置单位。
（添加多个物性时会出现下图2，我做过1个验证，发现⼀个物性包⾥包含多个参数，和⼀个物性包⾥只有⼀个参数，结算结果显⽰两个物性包⾥这个参数是相同的）。
完成后如下图3.9、有时候Qualifiers会显⽰红⾊，提⽰选择合适的物质状态10、Analysis –选择界⾯右上⽅Analysis中的Pure/Binary/Mixture，本例是查混合物质，所以选择Mixture（不要点击New）11、上⾯操作完之后会出现下⾯这个界⾯，分别设置图中标⽰的4部分的内容。
其中，在设置Composition时不能直接填“分数Fraction”，可以将Fraction的值填在Flow中，最后Fraction中显⽰的结果是⼀样的。
ASPEN物性方法选择
第 7 页
过程工业推荐使用的热力学方法
第 8 页
过程工业推荐使用的热力学方法
第 9 页
Galen J. Suppes选择方法
有机物水溶液：NRTL 醇类：Wilson 醇、酚：Wilson 醇、酮、醚： Wilson or Margules C4-C18 烃：Wilson 芳香族： Wilson or Margules
用于气体加工、炼油及化工应用。（如气体加工装置、原油塔及乙烯装置）
4、用于高压烃应用的状态方程性质方法：BWR-LS、 LK-PLOCK、PR-BM、RKS-BM
处理高温、高压以及接近临界点的体系（如气体管线传输或超临界抽提）
5、灵活的和预测性的状态方程性质方法：PRMHV2、 PRWS、PSRK、RK-ASPEN、RKSMHV2、RKSWS、 SR-POLAR
2.1 ASPEN PLUS的物性方法和模型
类别 详细内容 状态方程模型 活度系数模型 蒸汽压和液体逸度模型 汽化热模型 摩尔体积和密度模型 热容模型 溶解度关联模型 其它 粘度模型 导热系数模型 扩散系数模型 表面张力模型 一般焓和密度模型 煤和焦碳的焓和密度模型
热力学性质模型
传递性质模型
非常规固体性质模型
真实
真实或虚拟？ 非极性 虚拟&真实
真空
第 6 页
如何选择热力学方法（3）
对非极性或弱极性物系，可采用状态方程法。该 法利用状态方程计算所需的全部性质和汽液平衡 常数。 极性物系，采用状态方程与活度系数方程相结合 的组合法，即汽相采用状态方程法，液相逸度采 用活度系数法计算，液相的其它性质采用状态方 程或经验关联式法。
第 1 页
2.1.1物性模型
Aspen Plus 物性方法的选择
● 91中性质方法 ● 四种类型 ● 可按行业和用途选择
A
1
1. Aspen Plus 91 种性质方法
AMINES ENRTLSA MXBONNE PNRTL- REFPRO
C
L
IG
P
APISOUR EPNRTL NRTL
POLYFH RKASPEN
B-PITZER FACT
NRTL-2 POLYNR RK-
理想气体/道尔顿定律/亨利定律 理想气体/道尔顿定律（发布版本8）
②状态方程模型——13 种
表（2-1） 基于Lee方程的物性方法
物性方法代码 BWR-LS LK-PLOCK
状态方程 BWR-Starling Lee-Kesler-PlÖck
A
4
表（2-2） 基于 PR 方程的物性方法
物性方法代码
）
A
ELECNRTL
9
行业
（6）煤加工 Coal Processing
用途
方法
减小颗粒大小：粉碎， 研磨
分离和清洁：过滤，旋 风分离，沉降，洗涤
燃烧
SOLIDS
SOLIDS PR-BM,RKS-BM(应用
燃烧数据库）
用以下溶剂吸收酸性气 体：甲醇、NMP
煤气化和液化
PRWS,RKSWS,PRMHV 2，RKSMHV2， PSRK,SR-POLAR
羧酸、醋酸装置
WILSON-HOC,NRTLHOC,UNIQ-HOC
苯酚装置
WILSON,NRTL,UNIQU AC及变化形式
液体反应U AC及变化形式
合成氨装置
PENG-ROB,RKSOAVE,SR-POLAR
含氟化合物（包括HF）
ASPENPLUS的物性方法和模型
2021/7/6
3.1 ASPEN PLUS的物性方法和模型
类别 热力学性质模型
传递性质模型 非常规固体性质模型
详细内容
状态方程模型 活度系数模型 蒸汽压和液体逸度模型 汽化热模型 摩尔体积和密度模型 热容模型 溶解度关联模型 其它
粘度模型 导热系数模型 扩)
输入化合物组份
输入的物性
一般焓和密度模型 煤和焦碳的焓和密度模型
物性模型
外形方程模型
1、IDEAL理想外形性质方法用于气相和液相处于理想形状的体系〔如 减压体系、高压下的同分异构体系〕
2、用于石油混合物的性质方法：BK10、 CHAO-SEA、GRAYSON 用于炼油运用它能用于原油塔、减压塔和乙烯装置的局部工艺进程
5、灵敏的和预测性的外形方程性质方法： PRM计算高H温V、高2压、、接近P临R界点W混合S物及、在高P压下S的R液-K液分、别的R体系K。-〔A如乙S二P醇 EN、 RKS气体M枯燥H、甲V醇脱2硫、及超R临界K萃S取〕WS、SR-POLAR
液体活度系数性质方法
液体活度系数模型
NRTL UNIFAC UNIQUA
极性物系，采用外形方程与活度系数方程相 结合的组合法，即汽相采用外形方程法，液 相逸度采用活度系数法计算，液相的其它性 质采用外形方程或阅历关联式法。
进程工业推荐运用的热力学方法
Galen J. Suppes选择方法
for aqueous organics, NRTL for alcohols, Wilson for alcohols and phenols, Wilson for alcohols, ketones, and ethers Wilson or
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PENG-ROB, RK-SOAVE
Fluorochemicals氟化学品
WILS-HF
Inorganic Chemicals无机化学
Caustic烧碱
Acids酸
Phosphoric acid磷酸
Sulphuric acid硫酸
Nitric acid硝酸
Hydrochloric acid盐酸
GRAYSON, PENG-ROB, RK-SOAVE
Lube oil unit, De-asphalting unit润滑油装置，脱沥青装置
PENG-ROB, RK-SOAVE
Application
Recommended Property Methods
Hydrocarbon separations , Demethanizer, C3-splitter油气分离，脱甲烷塔，C3分离器
Aromatics芳烃
BTX extraction苯;甲苯和二甲苯抽提
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their ariances及其方差
Substituted hydrocarbons取代的烃
VCM plant氯乙烯装置
Acrylonitrile plan丙烯腈装置
PENG-ROB, RK-SOAVE
PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR
Acid gas absorption with酸气的吸收
Methanol (RECTISOL)甲醇（甲醇）
NMP (PURISOL)N-甲基吡咯烷酮
PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR
Coker main fractionator, FCC main fractionator焦化分馏塔，催化裂化分馏塔
CHAO-SEA, GRAYSON,
PENG-ROB, RK-SOAVE
Hydrogen-rich applications, Reformer, Hydrofiner富氢体系，重整装置，加氢催化精制
Reservoir systems水库系统
PR-BM, RKS-BM
Platform separation平台分离
PR-BM, RKS-BM
Transportation of oi天然气
PR-BM, RKS-BM
Application
Recommended Property Methods
PR-BM, RKS-BM, PENG-ROB, RK-SOAVE
Cryogenic gas processing , Air separation低温气体处理，空气分离
PR-BM, RKS-BM, PENG-ROB, RK-SOAVE
Gas dehydration with glycols天然气用二元醇脱水
Low pressure applications(up to several atm)低压应用（几个ATM）
Vacuum tower, atmospheric crude tower减压塔，常压塔
BK10, CHAO-SEA, GRAYSON
Medium pressure applications(up to several tens of atm)中压应用（到ATM几十）
Application
Recommended Property Methods
Ethylene plant乙烯装置
Primary fractionator初馏塔
CHAO-SEA, GRAYSON
Light hydrocarbons轻烃
Separation train Quench tower急冷塔
PENG-ROB, RK-SOAVE
Acid gas absorption with酸气吸收
Water水
Ammonia氨
Amines胺
Amines + methanol (AMISOL)胺+甲醇
Caustic烧醎
Lime石灰
Hot carbonate热碳酸盐
ELECNRTL
Claus process克劳斯法
PRWS, RKSWS, PRMHV2, RKSMHV2, PSRK, SR-POLAR
Ether production醚的生产
MTBE, ETBE, TAME甲基叔丁基醚，乙基叔丁基醚，甲基叔戊基醚
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Ethylbenzene and styrene plants乙苯和苯乙烯装置
PENG-ROB, RK-SOAVE or
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Terephthalic acid对苯二甲酸
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
(with dimerization in acetic acid section)
Application
AspenPlus物性方法的选择方案
Aspen Plus对不同应用领域，推荐使用的物性计算方法
Recommended Property Methods for Different Applications
Application (应用)
Recommended Property Methods（推荐计算方法）
WILS-HOC, NRTL-HOC, UNIQ-HOC
Phenol plant苯酚装置
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Liquid phase reactions液相反应
Esterification酯化
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Recommended Property Methods
Azeotropic separations共沸分离
Alcohol separation酒精分离
WILSON, NRTL, UNIQUAC and their variances
Carboxylic acids羧酸
Acetic acid plant醋酸装置